“十四五”職業教育國家規劃教材自動檢測技術課程授課教案PAGEPAGE1第二章電阻傳感器Ⅰ課題：電阻應變傳感器的原理及應用課時安排：2課次編號：3教材分析難點電橋的調零，溫度補償重點電阻應變傳感器的應用教學目的和要求1．了解應變效應的原理。2．了解應變片的類型、結構及其測量轉換電路。3．掌握應變效應的應用。采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：各種應變片各教學環節和內容演示先來做一個實驗。當用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻值R變大。在我們這個實驗中，電阻絲的阻值從初始狀態的10.00Ω增大到10.05Ω，如圖所示。電阻絲在拉力作用下阻值增大電阻應變式傳感器主要由電阻應變片及測量轉換電路等組成。用直徑為0.025mm左右的具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的電阻值，電阻絲排列成柵網狀，并粘貼在絕緣基片上，線柵上面粘貼有覆蓋層（保護用），電阻絲兩端焊有引出線。圖中稱為應變片的標距或工作基長，b稱為應變片基寬。b為應變片的有效使用面積。應變片規格一般是用有效使用面積以及電阻值來表示，例如：（310）mm2、350Ω等。圖2-1電阻絲應變片結構示意圖1－引出線2－覆蓋層3－基底4－電阻絲設有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為ρ的金屬單絲，它的電阻值R可表示為當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中ρ、r、l都將發生變化（如圖2-2所示），從而導致電阻值R發生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大；又如，某些半導體受拉時，ρ將變大，導致R變大。圖2-2金屬絲的拉伸變形1－拉伸前2－拉伸后實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量ΔRR與材料力學中的軸向應變εx的關系在很大范圍內是線性的，即（2-1）式中K——電阻應變片的靈敏度對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率ρ會產生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。在材料力學中，εx=Δl/l/稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變，是量綱為1的數。εx通常很小，常用10-6表示之。例如，當εx為0.000001時，在工程中常表示為110-6或m/m。在應變測量中，經常將之稱為微應變（με）。對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于1000με，即1000mm/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。由材料力學可知，εx=F/(AE)，所以ΔR/R又可表示為（2-2）如果應變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設法測出ΔR/R的數值，即可獲知試件受力Ｆ的大小。引出結論：應變效應導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發生變化，這種現象稱為應變效應。在工業中，將試材受力后所產生的長度相對變化量εx＝Δl/l，稱為縱向應變圖2-3幾種不同類型的電阻應變片a）金屬絲式b）金屬箔式c）單軸2元素半導體應變片1－電阻絲2－金屬箔3－半導體4－基片5－引腳6－定位標記應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。半導體應變片的靈敏度比金屬應變片高幾十倍，但一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重，必須考慮溫度補償。表2-1列出了一些常用應變片的主要技術參數。表2-1應變片主要技術指標參數名稱電阻值/Ω靈敏度電阻溫度系數/(1/℃)極限工作溫度/℃最大工作電流/mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000(1+10%)120(1+10%)1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2145(1+5%)120(1+5%)2010-62010-6－①－－0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-30170404020202525251525提問：表2-1中，哪幾種型號屬于半導體應變片？依據是什么？三、測量轉換電路金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以多使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將電阻的變化轉換為輸出電壓Uo。不平衡電橋測量轉換電路如圖2-7a所示。電橋的一個對角線結點接入電源電壓Ui，另一個對角線節點為輸出電壓Uo。提問：電橋平衡條件是什么？為了使電橋在測量前的輸出電壓為零，應該選擇四個橋臂電阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3。圖2-4橋式測量轉換電路a）基本應變橋路b）橋路的調零原理不平衡電橋的分類：根據不同的要求，應變電橋有3種不同的工作方式。1）單臂半橋工作方式（R1為應變片，R2、R3、R4為固定電阻，R2＝R3＝R4＝0）；2）雙臂半橋工作方式（R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻，R3=R4=0）；3）全橋工作方式（電橋的四個橋臂都為應變片）。重點：什么是電橋的調零：實際使用中，R1、R2、R3、R4不可能嚴格地成比例關系，所以即使在未受力時，橋路的輸出也不一定能嚴格為零，因此必須設置調零電路。調節RP，可以使電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。討論調零的原理和電位器的調節方向。討論圖中的R5是用于減小調節范圍的限流電阻的原理。四、應變效應的應用1．應變式力傳感器圖2-5應變式測力傳感器的幾種形式a）環式b）環式外形c）懸臂梁式解釋什么是懸臂梁？懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。懸臂梁的靈敏度較高，多用于較小力的測量。常見的電子秤中就多采用懸臂梁來測量質量（重量）。2．應變式荷重傳感器測力或荷重（稱重）的傳感器很大一部分采用應變式荷重傳感器。荷重傳感器如圖2-11所示，它的輸出電壓Uo正比于荷重F。圖2-7荷重傳感器結構示意圖a）外形圖b）應變片在承重等截面圓柱上的粘貼位置荷重傳感器的輸出電壓Uo正比于荷重F。實際運用中，生產廠商一般會給出荷重傳感器的靈敏度KF。設荷重傳感器的滿量程為Fm，橋路激勵電壓為Ui，滿量程時的輸出電壓為Uom，則KF被定義為（2-5）橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高，Ui通常為12V左右。由于Uo往往是mV數量級，而Ui往往是V級（12V左右），所以荷重傳感器的靈敏度以mV/V為單位。在額定荷重范圍內，輸出電壓Uo與被測荷重F成正比，所以有（2-6）將式（2-8）代入式（2-9）可得到在被測荷重為F時的輸出電壓Uo為（2-7）例：用某荷重傳感器稱重。當橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸